Круговорот углерода в природе

С появлением на Земле живых организмов образовалась постоянная циркуляции в биосфере химических элементов, их перехода из внешней среды в организмы и снова во внешнюю среду. Такой процесс получил название биогеохимический круговорот. Основными являются круговороты углерода (в составе углекислого газа), азота, кислорода, фосфора, серы и других элементов.

Вмешательство человека в круговорот углерода резко возрастает, особенно начиная с середины XX века, в результате быстрого роста населения и использования ресурсов, и происходит оно в основном двумя способами:

· сведение лесов и другой растительности без достаточных лесовосстановительных работ, в связи с чем, уменьшается общее количество растительности, способной поглощать углекислый газ.

· сжигание углеродсодержащих ископаемых видов топлива и древесины. Образующийся при этом углекислый газ попадает в атмосферу, постепенное возрастание содержания которого, вызывает «парниковый эффект».

В связи с предполагаемым глобальным антропогенным нарушением баланса изучение биогеохимического цикла углерода, отдельных его секторов - стока, эмиссии, запасов в резервуарах - представляет большой интерес и является сложнейшей научной проблемой.

1. Круговорот углерода в природе

Можно утверждать, что углерод является наиболее важным химическим элементом в экосфере - в части географической оболочки, включающей нижнюю тропосферу, поверхностные воды океана, его шельфовую зону, верхнюю часть литосферы. Это можно объяснить на примерах:

а) почти все формы жизни состоят из соединений углерода;

б) реакции окисления и восстановления соединений углерода в экосфере обусловливают глобальное распространение и баланс не только углерода, но и кислорода, а также и многих других химических элементов;

в) способность атома углерода создавать цепи и кольца обеспечивает разнообразие органических соединений;

г) углеродсодержащие газы - углекислый газ (СО2) и метан (СН4) - играют определяющую роль в антропогенном парниковом эффекте.

Содержание углерода в земной коре невелико (0,1-0,02%). Углерод существует в природе во многих формах, начиная с нахождения в виде чистого углерода (графит, уголь и др.), вплоть до высокомолекулярных органических соединении?.

Круговорот углерода - это один из важнейших круговоротов, определяющий энергетику биосферы. С ним непосредственно связан круговорот кислорода в биосфере, а также циклы азота, фосфора и серы.

Глобальный круговорот углерода на Земле тесно связан с климатом, круговоротом воды и биогенных веществ, продукцией фотосинтеза на суше и в океане. Он начинается с ассимиляции растениями углекислого газа, который в хлоропластах при поглощении энергии света используется для синтеза органических веществ. Так образование углеводов происходит по реакции:

6CO₂ + 6H₂O > C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Роль значительного резервуара углерода на суше играют тропические и бореальные регионы, где углерод аккумулируется в растительном покрове и почвах. В наземных экосистемах поглощаемый в результате фотосинтеза углерод либо в течение года возвращается в атмосферу, либо переходит в резервуар со временем. Образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества служат для построения клеточных структур, откладываются в запас или вновь расщепляются в процессе дыхания до воды и углекислого газа, выделяющегося из клетки в атмосферу (рис. 1). После смерти растения органические вещества клеток с помощью грибов и бактерий превращаются в неорганические, в том числе и СО₂, который возвращается в атмосферу.[7]

Различают быстрый и медленный углеродные циклы.

Быстрыи? углеродныи? цикл происходит при миграции углерода в системе суша-атмосфера-океан. Время оборота определяется объемом резервуара и мощностью обменных потоков и происходит на протяжении нескольких лет для атмосферы и десятилетии? - тысячелетии? для растительности, почвы, океана.

Медленныи?, осадочныи? углеродныи? цикл происходит при формировании запасов углерода. Миграция углерода происходит в процессе вулканических извержении?, химическои? и эрозионнои? активности, осадконакопления. Процесс, связанныи? с накоплением углерода в горных породах, длится сотни миллионов лет.[1]

Быстрый углеродный цикл также называют биологическим круговоротом, а медленный - геологическим.

Фонды углерода в биосфере обширны. Основная его масса аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (1,3*10¹⁶ т), в кристаллических породах (1*10¹⁶ т), каменном угле и нефти (0,34*10¹⁶ т).

В атмосфере углекислого газа сравнительно немного (1,3*10¹² т), менее 1/10000 общего запаса углерода. Аккумулированный углерод принимает участие в геологическом круговороте Земли.

Рис. 1. Круговорот углерода

В наземных экосистемах в круговорот вовлекается ежегодно 12% содержащегося в атмосфере углекислого газа. Поэтому углерод сравнительно быстро циркулирует между атмосферои?, гидросферои? и живыми организмами.

Рис. 2. Углеродный цикл, включая последствия антропогенной деятельности

На рис. 2 показаны некоторые другие звенья круговорота углерода, учитывающие геологическии? круговорот. Например, некоторая часть планетарного углерода на длительные периоды связывается в форме ископаемых видов топлива - каменного и бурого угля, нефти, природного газа, торфа, битумных песков и сланцев, - процесс образования которых в литосфере длился миллионы лет. В таком виде углерод остается «связанным» до тех пор, пока не будет снова введен в атмосферу в форме углекислого газа, что происходит при добыче и сжигании минерального топлива.

Как утверждают специалисты-биологи, повышение содержания СО₂ в атмосфере (и гидросфере одновременно) приводит к росту биомассы, преимущественно фитомассы, за счет процесса фотосинтеза. Изменение климатических условий может привести к последующей частичной «консервации» биомассы в виде торфа, нефти, угля, карбонатов (мрамор, мел и т.п.). Существуют и иные пути связывания диоксида углерода. Это растворение его в воде Мирового океана (помним, что на долю Мирового океана приходится более 70% поверхности планеты), в том числе и за счет «химического» растворения осадков:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O Ca(HCO₃)₂

Если в атмосфере возникает недостаток углекислого газа, равновесие смещается влево, гидрокарбонаты разлагаются с освобождением CO₂.[4]

Возврат углерода из осадочных отложении? в активныи? круговорот происходит чрезвычаи?но медленно на протяжении миллионов лет, путем растворения этих отложении? в океаническои? воде и образования растворенного углекислого газа, которыи? впоследствии может попадать в атмосферу. Расплавление горных пород в ходе длительных геологических процессов и при вулканических извержениях также приводит к выбросу углекислого газа в воздух и в воду. Кроме того, вертикальные движения земнои? коры могут поднимать блоки осадочных пород выше уровня моря, что приводит к образованию островов и целых материков, а также подвергает обнажившиеся карбонатные породы активным химическим реакциям с выделением углекислого газа.[2]

Другои? важнои? частью круговорота углерода является анаэробное дыхание, происходящее без доступа кислорода. В ходе этого процесса различные виды анаэробных бактерии? преобразуют органические соединения в газообразный метан. Такои? тип дыхания встречается в основном в болотных экосистемах. Он может также наблюдаться на свалках, где происходит захоронение промышленных и бытовых отходов.

Глобальная антропогенная эмиссия углерода за вычетом поглощения биотой и океаном равна приросту его содержания в атмосфере: GATM = EFF + ELUC - SOCEAN - SLAND, где GATM - прирост содержания углерода в атмосфере; EFF - выбросы в результате сжигания ископаемого топлива и производства цемента; ELUC - выбросы в результате деятельности человека на земле - землепользования, изменений в землепользовании и лесопользовании; SOCEAN - поглощение углерода океаном; SLAND - поглощение углерода биотой суши. [9]

2. Нарушение углеродного цикла

Углекислый газ служит причиной парникового эффекта, так как удерживает часть энергии, которую излучает нагретая поверхность Земли, и, как следствие, воссоздает эффект, наблюдаемый в обычном парнике. В результате температура заметно повышается. Основным парниковым газом является не СО₂, а водяной пар, действием которого объясняется 60% парникового эффекта.

Известно, что молекула СО₂ малореакционная, имеет линейную конфигурацию, состоит преимущественно из стабильных изотопов (¹²С и ¹⁶О). В ней имеются две двойные химические связи, обусловливающие эффективное поглощение излучения Земли в ИК-диапазоне: 4,15 мкм, 7,4 мкм и 14,9 мкм. Часть этой поглощенной энергии может передаваться другим молекулам атмосферы при столкновении. Все эти процессы могут приводить к повышению температуры атмосферы.[4]

Кроме концентрации парникового газа, большое значение имеют период сохранения его молекул в атмосфере и эффективность взаимодействия с тепловым излучением. Так, например, молекула метана остается в атмосфере около 11 лет и абсорбирует тепловое излучение приблизительно в 15 раз более эффективно, чем молекула СО₂. Доля метана в суммарном тепличном эффекте оценивается в 15%, доля фреонов - от 15 до 20%.

В 2022 Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) была построена графическая зависимость на основе статистических данных по содержанию CO₂ в атмосфере (рис. 3). Так в 2022 концентрация увеличилась на 0,5% по сравнению с предыдущем годом и достигла около 419 ppm.

Рис. 3. Увеличение концентрации CO₂ в атмосфере за период с 1959-2022 гг.

Казалось бы, при очень высокой замкнутости биосферного круговорота углерода и огромной буферной ёмкости биосферы и океана по связыванию атмосферного избытка CO₂ это увеличение не должно приводить к нарушению равновесия. Но в действительности буферные системы биосферы и океана не справляются с регулированием равновесия потоков CO₂. Возникает порочный круг самоусиления парникового эффекта (рис. 4).

Рис. 4. Схема, поясняющая нарушение круговорота углерода и ускорение парникового эффекта

Повышение температуры способствует выделению CO₂ из воды, почвенной влаги, тающих льдов, поскольку растворимость CO₂ в воде заметно снижается с повышением температуры. Кислотные осадки вытесняют CO₂ из карбонатов почвы, вод и грунтов.

Загадка углекислого газа остаётся самой интригующей. Несмотря на рост его выбросов, температура окружающей среды меняется медленнее, чем предсказывали прогнозы. Вероятно, что в атмосфере действует какой-то механизм, конкурирующий с парниковым эффектом и замедляющий рост температуры.

Когда говорят о способности парниковых газов поглощать отражённое излучение, то предполагают, что молекулы газа находятся в свободном состоянии. Атмосферный водяной пар кластеризуется, и количество центров, поглощающих отражённое солнечное излучение, снижается. Водяной пар может соединяться с CO₂ и N₂O: CO₂(H₂O)_n и N₂O(H₂O)_n.

С увеличением концентрации парниковых газов увеличивается вероятность абсорбции их кластерами воды. Поэтому повышение CO₂ в атмосфере до определённой концентрации ведёт к антипарниковому эффекту, то есть не к нагреванию, а к охлаждению. С достижением равновесной концентрации CO₂ ситуация меняется и увеличение концентрации молекул CO₂ приводит к парниковому эффекту. В пользу этой гипотезы было приведено очень много доказательств. [10]

2.2 Последствия нарушения круговорота углерода